자동차 엔진은 수많은 부품으로 구성되어 있으며 각각의 부품들이 동작하여 움직입니다. 엔진이 동작하면서 각 금속 부품들이 결합되는 곳에서는 마찰 등에 의해 열이 발생하고 부품 마모가 일어나는데, 이는 엔진 고장과 동력 손실의 원인이 될 수 있습니다. 이러한 상황을 방지하기 위해 엔진에서는 윤활 시스템을 구성하여 마찰과 마모를 최소화 하는데, 이번 포스팅에서는 이 윤활 시스템에 대해 알아보겠습니다.
엔진 윤활 시스템의 작동원리와 목적
엔진 윤활 시스템은 엔진 부품 사이의 마찰을 최소화하고 움직임을 보다 부드럽게 하기 위해 엔진 구성 요소에 기름이나 그리스와 같은 윤활 오일을 주입하는 시스템입니다. 윤활 시스템은 엔진 하부에 위치한 오일 펌프가 윤활유에 동력을 불어넣어 각 부품에 오일이 순환하며 분배하는 방식으로 작동하죠. 오일 펌프에 의해 압력이 가해진 윤활유는 시스템에 유입되기 전 가장 먼저 strainer와 필터를 통과하며 내부의 이물질을 걸러내는데 필터의 사양(기공 크기, 표면적 및 깊이, 소재), 유체의 압력과 유속 등의 조건에 따라 이물질이 걸러지는 수준이 달라집니다. 그 후 윤활유는 메인 베어링에서 크랭크 샤프트 내 통로와 커넥팅 로드의 베어링으로 이동하여 회전하는 크랭크축에 의해 분산되면서 실린더 벽과 피스톤 핀 베어링을 윤활합니다. 오일이 과잉 분사된 부분은 피스톤의 scraper ring이 긁어내어 보다 균일하게 윤활유가 흐르도록 하죠. 캠 샤프트 베어링과 타이밍 벨트, 기어 등 엔진 부품 전반을 순환한 윤활유는 탱크로 돌아오고 이 과정을 반복하며 윤활을 합니다.
윤활의 목적은 크게 마찰 감소, 냉각, 엔진 밀봉, 클리닝으로 구분할 수 있습니다.
1)마찰 감소: 엔진 윤활의 주요한 목적으로 엔진 내 마찰과 마모를 줄이는 것입니다. 각 부품이 움직일 때 서로 맞닿는 표면에서는 마찰이 발생 할 수 밖에 없는데, 마찰이 누적되면 부품의 마모는 물론이며 에너지 손실을 유발하는 열을 발생시킵니다. 이러한 마찰을 줄이기 위해 윤활유를 공급하여 각 표면에 유막을 형성하고 마찰 최소화, 직접 접촉을 방지하는 것이죠. 윤활을 함으로써 부품 마모 및 에너지 손실을 줄일 수 있으며 금속 표면에서 발생하는 소음과 진동도 낮출 수 있습니다.
2) 냉각: 윤활 시스템은 엔진의 열을 냉각 합니다. 피스톤, 실린더, 베어링 등 윤활유가 각 부품을 순환하면서 누적된 열을 흡수하여 어느 정도의 냉각 효과를 만들어 냅니다. (온도를 낮추는 역할은 냉각 시스템이 수행 합니다)
3) 엔진 밀봉: 윤활유는 실린더 라이너, 피스톤 및 피스톤 링, 베어링 등 부품 사이의 표면을 순환합니다. 윤활유가 순환하면서 각 부품 사이의 좁은 틈을 매꾸어 밀봉하는 효과를 만들어 내는데 이는 실린더에서 고압의 가스가 누출되는 것을 방지합니다. 엔진 밀봉은 완충제 효과도 기대할 수 있죠.
4) 클리닝: 윤활유는 엔진 내부를 순환하며 청소 하는 역할도 합니다. 윤활유가 오일 팬으로 이동할 때 내부에 쌓인 먼지나 탄소, 침전물 등의 이물질을 이송하여 엔진 내부를 깨끗하게 유지 시켜 줍니다.
엔진 윤활 시스템의 구분과 종류 (1) Wet sump와 Dry sump
엔진 윤활 시스템은 크게 오일의 순환 방식에 따라 Wet sump와 Dry sump로 분류 할 수 있습니다. 그리고 다시 Wet sump 방식 내에서 3가지로 분류 할 수 있죠.
먼저 Wet sump와 Dry sump는 오일의 순환 방식에 따라 구분한 것으로, 시스템 내 오일을 저장하는 별도의 탱크의 유무에 차이가 있습니다. Wet sump는 하나의 오일 펌프가 엔진의 크랭크축 아래에 위치하며 탱크에서 엔진으로 직접 윤활유를 공급하고, Dry sump는 외부에 저장 탱크를 장착하고 여러 개의 오일 펌프가 윤활유를 공급합니다.
습식 섬프 시스템(Wet sump)은 일반적인 자동차 엔진에서 사용하는 윤활 방식입니다. 별도의 탱크 없이 1개의 오일 펌프가 엔진에 윤활유를 공급하며 움직이는 부품으로 직접 펌핑되기 때문에 오일 순환 과정이 상대적으로 빠른 편이고 에너지 소모 또한 적습니다.
반대로 드라이 섬프 시스템(Dry sump)은 오일 저장 탱크를 별도로 갖추고 있으며 순환 과정에서 2단계, 많게는 5~6단계까지 펌핑을 합니다. 주로 시스템의 최대 출력, 고성능의 제어를 필요로 하는 스포츠카나 경주용 차량, 항공 엔진 등에서 이 방식을 사용하고 있습니다.
Wet sump와 Dry sump의 명확한 이해를 위해 장단점을 표로 정리했습니다.
| 장점 | 단점 | |
| Dry sump (드라이섬프) |
- 일정한 압력 공급, 윤활 신뢰성 향상 - 엔진 오일 부족 방지 - 점성 및 공기 마찰 감소 효과로 엔진 마력 증가 - 전용 저장 탱크가 있어 오일 용량 큼 - 높은 윤활유 온도, 디테일한 제어 가능 - 차량의 주행 안정성 향상 - 펌프가 외부에 있어 교체 및 유지 관리 용이 - 시스템 내 가스 제어하는 데 용이 - 오일 공급을 유지하기 위한 펌프 효율 향상 |
- 복잡한 시스템 구조, 펌프와 파이프 등의 구성품이 많아짐, 엔진 무게 무거워짐 - 제작 비용이 비싸고 유지보수가 어려움 - 큼지막한 사이즈 - 오일 소모량 증가 |
| Wet sump (습식 섬프) |
- 단순한 시스템 구조, 상대적으로 적은 부품수, 가벼운 무게 - 제작 비용이 저렴하고 유지 보수가 편함 - 오일 순환 속도가 더 빠름 - 트레이, 계량봉과 같은 구성 요소 있어 사용하기 용이 |
- 제한적인 오일 순환 - 오일 펌프 고장에 치명적임 - 오일 부족한 상황이 쉽게 발생 |
결론적으로 성능 자체는 Dry sump가 더 뛰어나지만 비용과 효율 등의 문제로 대부분의 엔진에서는 Wet sump를 적용 하고 있습니다.
Wet sump (습식 섬프)의 구분
앞서 말했던 것처럼 Wet sump (습식 섬프)은 다시 (1)Splash system (2) Forced feed system and (3) Combination of splash and forced feed system 세 가지 방식으로 나눌 수 있습니다
먼저 Splash system은 크랭크 케이스 하부에 윤활유가 채워진 오일 트레이가 있는 것이 특징입니다. 크랭크축이 회전하면서 윤활유가 물방울이나 미세한 미스트 형태로 위쪽으로 튀면서 피스톤 핀, 링, 밸브, 실린더 벽 등에 달라 붙으며 윤활 역할을 만들어 내죠. 윤활 후에는 중력에 의해 크랭크 샤프트와 메인 베어링 내부에 뚫린 구멍을 통해 흐르며 다시 바닥으로 고이고 다시 윤활을 시작합니다. 구조가 단순하고 필요한 부품이 적어 비용이 저렴하다는 장점이 있으나 엔진 실린더 전체에 윤활이 고르지 못하여 부품 마모 발생 가능성이 높습니다. 또한 하부의 오일 트레이에 윤활유의 양이 항상 일정하게 유지되어야 하는데, 오일이 부족하면 엔진 고장을 쉽게 일으킬 수 있고 반대로 많으면 오일 소비량이 많고 과한 윤활을 일으킬 수 있습니다. 이 방식은 일반적으로 오토바이나 잔디깎는 기계, 보트 엔진에 사용됩니다.
FORCED FEED SYSTEM은 윤활유를 순환하게 하는 오일 펌프가 있으며, 크랭크 샤프트, 커넥팅 로드, 피스톤 핀, 타이밍 기어 및 캠축 등 엔진의 각 부품에 윤활유가 흐르는 통로가 있습니다. 윤활유는 일반적으로 펌프에 의해 200~400Kpa의 압력을 받아 크랭크 케이스에서 시작하여 각 베어링 -> 크랭크 샤프트 -> 커넥팅 로드 -> 피스톤 및 링 등으로 순환합니다. 그리고 다시 실린더 헤드에서 크랭크 케이스로 되돌아와 순환을 다시 시작하죠. Splash system과는 반대로 엔진 실린더의 모든 구성 요소를 균일하게 윤활하여 부품 간 마모를 크게 줄일 수 있는 장점이 있으나 이 시스템 역시 엔진 오일을 주기적으로 관리해주어야 하는 번거로움이 있고, 부품 가짓수가 늘어난다는 단점이 있습니다. 이 시스템은 오늘날 많은 자동차와 트럭, 트랙터, 고속 다기통 엔진에 사용됩니다.
마지막 COMBINATION OF SPLASH AND FORCED FEED SYSTEM은 위에서 설명한 두 시스템을 합친 방식으로 메인 베어링, 커넥팅 로드 베어링, 캠샤프트 베어링 등 무거운 하중을 받는 부품을 펌프의 압력을 이용하여 윤활유를 순환시키고, 실린더 라이너, 캠 등과 같은 나머지 부품은 오일을 splash하여 분사하여 윤활 시킵니다.
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